CZ32084U1 - Zařízení pro měření vývoje tepelné energie ve viskoelastickém materiálu při mechanickém namáhán - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká zařízení pro měření vývoje tepla ve viskoelastickém materiálu, zejména v pryži, při cyklickém mechanickém namáhání. Množství tepla vznikajícího přeměnou deformační energie je na zařízení monitorováno měřením změny vnitřní teploty (tzv. hřetí) mechanicky namáhaného pryžového zkušebního tělesa. Zařízení je určeno pro využití v gumárenském průmyslu při testování pryžových součástí a vývoji nových pryžových materiálů.

Dosavadní stav techniky

Pro zkoušky vývoje tepelné energie při namáhání viskoelastických materiálů existují doposud zařízení pracující na bázi vynucených kmitů při cyklickém namáhání buď v tlaku nebo v tahu anebo při cyklickém střídavém namáhání v tlaku a v tahu, se zatěžující amplitudou v ose zkušebního tělesa, a to obecně flexometry různých výrobců z nichž nejznámějším typem je flexometr Goodrich a nejnovějším stavem techniky je využití zařízení DMA (Dynamický mechanický analyzátor) pro analýzu vývoje tepla.

Flexometr Goodrich pracuje s konstantním předpětím a cyklickou deformací v tlaku. Výsledkem zkoušky je průběh teploty, statická a dynamická deformace, trvalá deformace a tvrdost vzorků. Tak jako vývoj teploty vzorku. Nevýhodou tohoto řešení je jednoosé namáhání zkušebního tělesa, a to převážně harmonickým sinusovým pohybem, které v průběhu jednotlivých cyklů vyžaduje opakovaný rozběh a zastavení pohybu deformačního členu a změnu směru jeho pohybu. Tím vzniká značné zatížení zařízení s nepříznivým dopadem jak na jeho životnost, tak na spotřebu energie. Zanedbatelný není ani vliv rázů, zejména při vyšších hodnotách deformací. Nevýhodou tohoto řešení je pro zajištění kontinuálního měření vývoje teploty měřená oblast, kterou je dosedací plocha zkušebního tělesa na upínací čelist. Pro zajištění měření ve vnitřní oblasti zkušebního tělesa je u flexometru použito dvou způsobů a to:

- diskontinuální měření charakterizované tím, že těleso je při namáhání nutné zastavit a poté je do vnitřní oblasti zasunut termometr. Po odečtení teploty a jeho vysunutí je test opět spuštěn.

- kontinuální měření charakterizované tím, že těleso je stále nepřerušovaně namáháno a termometr je po celou dobu analýzy zasunut uvnitř zkušebního tělesa. Takto však právě díky charakteru jednoosého zatěžování dochází k vnitřnímu tření mezi termometrem a zkušebním tělesem a tím je ovlivněn vývoj tepla v tělese.

Při flexometrických zkouškách na zařízení Goodrich je možno z podmínek při porušení zkušebního tělesa získat i představu o životnosti zkoušeného vulkanizátu za dynamického namáhání. Přitom však se u aplikovaného namáhání materiálu jedná pouze o tlakovou deformaci, takže simulace plně dynamického namáhání, kterému je pak materiál vystaven v reálných podmínkách, není plnohodnotná a získané výsledky mají význam a hodnotu především ve vzájemném srovnání. Navíc zde chybí podíl tahové deformace, což dále omezuje možnosti mapování vývoje vnitřního tepla u dynamicky namáhaných viskoelastických materiálů v praxi.

DMA - Dynamický Mechanický Analyzátor - umožňuje zatěžování buď v tlaku nebo v tahu nebo při střídavém namáhání v tlaku a v tahu. Výsledkem zkoušky jsou viskoelastické vlastnosti definované převážně ztrátovým modulem, úložným modulem a ztrátovým úhlem, průběh teploty, statická a dynamická deformace, trvalá deformace a tvrdost vzorků, tak jako vývoj teploty vzorku. Nevýhodou tohoto řešení je jednoosé namáhání zkušebního tělesa, a to zejména harmonickým sinusovým pohybem, které v průběhu jednotlivých cyklů vyžaduje opakovaný

- 1 CZ 32084 Ul rozběh a zastavení pohybu deformačního členu a změnu směru jeho pohybu. Tím vzniká značné zatížení zařízení s nepříznivým dopadem jak na jeho životnost, tak na spotřebu energie. Zanedbatelný není ani vliv rázů, zejména při vyšších hodnotách deformací. Další nevýhodou je obecná dimenze DMA zařízení, které je primárně určeno pro velmi malé amplitudy, a tedy jeho konstrukce tak, jako jeho pohon jsou dimenzovány na malé amplitudy, které neodpovídají celému spektru nutného rozsahu aplikovaných amplitud pro komplexní popis vývoje tepla ve viskoelastickém materiálu při dynamickém zatěžování.

Nevýhodou tohoto řešení je pro zajištění kontinuálního měření vývoje teploty měřená oblast, kterou je dosedací plocha zkušebního tělesa na upínací čelist.

Pro zajištění měření ve vnitřní oblasti zkušebního tělesa je u DMA tak jako u flexometru použito dvou způsobů a to:

- diskontinuální měření charakterizované tím, že těleso je při namáhání nutné zastavit a poté je do vnitřní oblasti zasunut termometr. Po odečtení teploty a jeho vysunutí je test opět spuštěn.

- kontinuální měření charakterizované tím, že těleso je stále nepřerušovaně namáháno a termometr je po celou dobu analýzy zasunut uvnitř zkušebního tělesa. Takto však právě díky charakteru jednoosého zatěžování dochází k vnitřnímu tření mezi termometrem a zkušebním tělesem a tím je ovlivněn vývoj tepla v tělese.

Výhodou tohoto zařízení je díky jeho dimenzi na malé zatěžující amplitudy jeho přesnost měření viskoelastických vlastností vzorku právě v oblasti malých amplitud.

Úkolem technického řešení je tedy vývoj takového zařízení pro monitorované dynamické namáhání viskoelastických materiálů, které by umožnilo získat data co nejbližší reálným podmínkám namáhání, a to bez nepříznivých průvodních jevů a s vysokou životností zařízení.

Podstata technického řešení

Uvedené nevýhody a nedostatky dosud známých řešení zařízení pro zkoušky vývoje tepelné energie při namáhání viskoelastických materiálů do značné míry odstraňuje zařízení pro měření vývoje tepelné energie ve viskoelastickém materiálu při mechanickém namáhání podle technického řešení. Podstata technického řešení spočívá v tom, že je vybaveno hlavní rotační čelistí pro upnutí zkušebního tělesa, které je svým druhým koncem uchyceno ve stavitelné rotační čelisti, uchycené na otočném suportu. Hlavní rotační čelist je vybavena hlavním pohonem a zařízení je vybaveno monitorem rotace, dále uvnitř zkušebního tělesa je umístěn snímač teploty.

Zařízení pro měření vývoje tepelné energie ve viskoelastickém materiálu je s výhodou opatřeno snímačem kroutícího momentu a regulátorem kroutícího momentu. Dále může mít toto zařízení otočný suport vybaven pomocným pohonem. Hlavní rotační čelist s upnutým zkušebním tělesem i stavitelná rotační čelist s otočným suportem mohou být s výhodou umístěny v izolované teplotní komoře.

Hlavní výhodou zařízení pro měření vývoje tepelné energie ve viskoelastickém materiálu podle technického řešení je skutečnost, že zařízení umožňuje měření vývoje tepla (hřetí) při souběžném tlakovém i tahovém namáhání, přičemž oblasti tlakové a tahové deformace se v průběhu jednotlivých deformačních cyklů střídají, a že namáhání i měření teploty probíhá kontinuálně. Tím se dosahuje mimořádně účinné simulace reálných podmínek dynamického namáhání viskoelastických materiálů v praxi. Kontinuální charakter měření pak umožňuje velmi přesné monitorování vývoje tepla v materiálu a získání souboru dat s vysokou vypovídací schopností. Tyto hodnoty jsou cenným vodítkem pro testování parametrů tepelné hystereze pryžových

-2CZ 32084 U1 součástí určených pro konkrétní technické aplikace. Velký přínos pak představuje zařízení podle technického řešení zejména v oblasti výzkumu a vývoje nových materiálů v gumárenském průmyslu, kde poskytuje rychlou a účinnou zpětnou vazbu ohledně tepelné odezvy na dynamické namáhání nově navržených gumárenských materiálů, především pro exponované aplikace.

Objasnění výkresů

Podstata technického řešení je znázorněna na přiložených výkresech, kde značí:

- obr. 1 - schématické znázornění zařízení v nejjednodušším provedení;

- obr. 2 - zařízení vybavené momentovým snímačem a regulátorem kroutícího momentu;

- obr. 3 - zařízení vybavené pomocným pohonem;

- obr. 4 - zařízení typu jako na obr. 3, navíc s izolovanou teplotní komorou.

Příklady uskutečnění technického řešení

Příklad 1

Zařízení pro měření vývoje tepelné energie ve viskoelastickém materiálu při mechanickém namáhání, znázorněné na obr. la, je vybaveno hlavní rotační čelistí í, v níž je upnuto zkušební těleso 2, které je svým druhým koncem uchyceno ve stavitelné rotační čelisti 3, která je uchycena do otočného supportu 4. Hlavní rotační čelist 1_ je vybavena hlavním pohonem 5 a monitorem 6 rotace, uvnitř zkušebního tělesa 2 je umístěn snímač 7 teploty.

Popsané zařízení pracuje tak, že pryžové zkušební těleso 2 válcové geometrie je svým jedním koncem uchyceno do hlavní rotační čelisti 1 a druhým koncem do stavitelné rotační čelisti 3, která se nachází ve výchozí pozici souosé s hlavní rotační čelistí 1, (úhel alfa = 0). Následně se stavitelná rotační čelist 3 ručně přesune pomocí otočného supportu 4 do polohy, kdy její osa svírá s osou hlavní rotační čelisti 1 úhel alfa ů 0, kde tyto polohy jsou znázorněny na obr. lb a lc. Hlavní rotační čelist 1 je poté uvedena do rotačního pohybu a společně s ní i zkušební těleso 2, které je během rotace vystaveno okamžitému namáhání ve vnější části oblouku tahem a ve vnitřní části tlakem, přičemž se díky neustálému otáčení jeho průřezu oblast tahového a tlakového namáhání zkušebního tělesa 2 průběžně mění. Přesnost informací o tzv. hřetí je zajištěna tím, že snímač 7 teploty je umístěn uvnitř zkušebního tělesa 2 a poskytuje tedy úplné údaje o průběhu tepelného děje bez jeho narušení zastavením kvůli měření v daných intervalech, jak tomu bylo u doposud známých zařízení.

Příklad 2

Zařízení dle obr. 2 má hlavní rotační čelist 1, v níž je upnuto zkušební těleso 2, které je svým druhým koncem uchyceno ve stavitelné rotační čelisti 3, uchycené do otočného supportu 4.

Hlavní rotační čelist 1 je vybavena hlavním pohonem 5, monitorem 6 rotace a momentovým snímačem 8. Uvnitř zkušebního tělesa 2 je umístěn snímač 7 teploty. Stavitelná rotační čelist 3 je v tomto provedení navíc opatřena regulátorem 9 kroutícího momentu. Nastavením parametru kroutícího momentu na regulátoru 9 kroutícího momentu dochází také k určitému smykovému namáhání zkušebního tělesa 2 kroutícím. V souhrnu je tedy zkušební těleso 2 vystaveno kombinovanému dynamickému namáhání s periodickým průběhem jednotlivých složek. Tento charakter namáhání do značné míry simuluje reálné dynamické namáhání pryžových materiálů v praxi. Proto je možné získat relevantní nezkreslené informace o vzniku disipované tepelné

-3 CZ 32084 U1 energie v materiálu při takovém druhu namáhání, a to jak z hlediska časového, tak ohledně intenzity zahřívání materiálu. Tím se dále rozšiřují možnosti mapování tepelných charakteristik viskoelastického materiálu při jeho dynamickém namáhání s cílem získání spektra dat podrobně popisujících měřený materiál. Výsledný soubor dat je pak dalším krokem na cestě k funkční optimalizaci stávajících i nových dílů a součástí určených k dynamickému namáhání, s ohledem na jejich životnost a spolehlivost.

Příklad 3

Zařízení dle obr. 3 je vybaveno hlavní rotační čelistí 1, v níž je upnuto zkušební těleso 2, které je svým druhým koncem uchyceno ve stavitelné rotační čelisti 3, která je uchycena do otočného supportu 4, opatřeného zde pomocným pohonem 9. Hlavní rotační čelist 1 je vybavena hlavním pohonem 5, monitorem 6 rotace a momentovým snímačem 8. Uvnitř zkušebního tělesa 2 je umístěn snímač 7 teploty.

Zařízení pracuje opět analogicky jako v předchozích případech. Momentový snímač 8 plní stejnou úlohu, jak již bylo popsáno v příkladu 2. Komfort zařízení zvyšuje vybavení otočného supportu 4 pomocným pohonem 10. Pomocný pohon 10 provádí přesun otočného supportu 4 s uchycenou stavitelnou rotační čelistí 3 do pracovní polohy, v níž následně probíhá dynamické namáhání zkušebního tělesa 2 a měření vývoje tepelné energie v materiálu.

Příklad 4

Zařízení znázorněné na obr. 4a je vybaveno hlavní rotační čelistí 1, v níž je upnuto zkušební těleso 2, které je svým druhým koncem uchyceno ve stavitelné rotační čelisti 3, uchycené do otočného supportu 4, vybaveného pomocným pohonem 10. Hlavní rotační čelist 1 je vybavena hlavním pohonem 5, monitorem 6 rotace a momentovým snímačem 8. Zařízení je vybaveno rovněž všemi dalšími prvky jako zařízení podle příkladu 4, přičemž snímač 7 teploty, pomocný pohon 10 a regulátor 9 kroutícího momentu jsou v tomto provedení umístěny v izolované teplotní komoře 11, jak ukazuje obr. 4b. Jednotlivé pracovní pozice charakterizované úhlem a - úhel, který svírá osa rotace hlavní rotační čelisti 1 s osou rotace stavitelné rotační čelisti 3, jsou pak znázorněny na obr. 4c, 4d a 4e.

Základní funkce zařízení je opět analogická jako v předchozích příkladech. Navíc izolovaná teplotní komora 11 umožňuje separaci monitorovaného termodynamického děje od případných vnějších tepelných vlivů a přispívá tak k přesnosti měření a spolehlivosti získaných dat.

Průmyslová využitelnost

Zařízení podle technického řešení je využitelné v gumárenském průmyslu, zejména pak pro analýzu vývoje hřetí v cyklicky dynamicky zatěžovaných technických pryžových součástech, jako jsou pneumatiky, tlumiče, těsnění nebo řemeny. Dále pak nalezne uplatnění ve výzkumu při testování a vývoji gumárenských směsí, kde může přinést zefektivnění vývoje a snížení nákladů na vývoj díky rychlé a přesné analýze pryžové matrice již ve fázi optimalizace navržených gumárenských směsí.

NÁROKY NA OCHRANU

Claims (11)

1. Zařízení pro měření vývoje tepelné energie ve viskoelastickém materiálu při mechanickém namáhání, vyznačující se tím, že je vybaveno hlavní rotační čelistí (1) pro upnutí zkušebního tělesa (2), které je svým druhým koncem uchyceno ve stavitelné rotační čelisti (3), uchycené na

-4CZ 32084 U1 otočném suportu (4), přičemž hlavní rotační čelist (1) je vybavena hlavním pohonem (5) a zařízení je vybaveno monitorem (6) rotace, a dále uvnitř zkušebního tělesa (2) je umístěn snímač (7) teploty.

5 2. Zařízení pro měření vývoje tepelné energie podle nároku 1, vyznačující se tím, že je opatřeno snímačem (8) kroutícího momentu a regulátorem (9) kroutícího momentu.

3. Zařízení pro měření vývoje tepelné energie ve viskoelastickém materiálu při mechanickém namáhání podle nároku 1, vyznačující se tím, že otočný suport (4) je vybaven pomocným ío pohonem (10).

4. Zařízení pro měření vývoje tepelné energie podle nároku 1, vyznačující se tím, že hlavní rotační čelist (1) s upnutým zkušebním tělesem (2) i stavitelná rotační čelist (3) s otočným suportem (4) jsou umístěny v izolované teplotní komoře (11).

5 výkresů

-5 CZ 32084 U1

Seznam vztahových značek:

1 - hlavní rotační čelist

2 - zkušební těleso

3 - stavitelná rotační čelist

4 - otočný suport

5 - hlavní pohon

6 - monitor rotace

7 - snímač teploty

8 - snímač kroutícího momentu

9 - regulátor kroutícího momentu

10 - pomocný pohon

11 - izolovaná teplotní komora.